JPH01234542A - 熱交換器用アルミニウム複合フィン材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はろう付接合により組立てられるアルミニウム製
熱交換器のフィン材に関し、より詳しくはろう付加熱時
に優れた耐座屈性を示し、かつ熱交換率（冷却効率）の
向上に好適な高熱伝導性を有するアルミニウム製熱交換
器用フィン材に関する。

（従来の技術） 一般にろう付接合により組立てられるアルミニウム製熱
交換器は、水等の冷媒を通す通路（以下チューブという
）と熱を吸収又は放散するフィンとからなり、チューブ
としては、熱交換器の用途に応じて押出偏平多穴管、又
はＡ　ｌ　−Ｓ　ｉ系ろう材を皮材としてクラッドした
プレージンクシートによるプレス成形プレートや電縫偏
平管か用いられている。また、フィン材としては第１図
に示すような、芯材１の両面に皮材２をクラッドしたプ
レージングシート、又は皮材をクラッドしない裸のフィ
ン材（ベア材）か用いられている。

ろう付によるアルミニウム製熱交換器の具体例は第２図
及び第３図に示される。第２図はドロンカップエバポレ
ータであり、プレー、シングシートからなるプレス成形
プレート３を積層してチューブを形成させ、これにベア
材又はプレージングシートからなるコルゲートフィン４
を組合わせたものである。第３図（イ）はエバポレータ
てあり、押出偏平多穴管１３とプレージングシートから
なるコルゲートフィン１４を組合わせたものであり、同
図（ロ）はコンデンサであり、押出多穴管２３とコルゲ
ートフィン２４を組合わせたものてあり、同図（ハ）は
ラジェータであり、片面にＡ　Ｍ　−Ｓ　ｉ系ろう材を
クラッドしたプレージングシートで製作した電縫偏平管
３３（管の外側にろう材がくる）とベア材のフィン材３
４と組合わせたものである。これらの熱交換器のチュー
ブとコルゲートフィンは約６００°Ｃ＠後の温度てフラ
ックスろう付、真空ろう付又は不活性ガス雰囲気ろう付
等により組立てられている。

ところで従来このようなろう付組立によるアルミニウム
製熱交換器においてはフィン材として比較的耐座屈性の
よいＡ　ｌ　−Ｍ　ｎ系合金、例えばＪＩＳ３００３合
金（Ａ　ｌ　〜０．０５〜０．２０ｗ　ｔ％Ｃｕ　−１
，０〜１．５　ｗ　ｔ％Ｍｎ合金［以下ｗｔ％を単に％
と略記］）又はＪＩＳ３２０３合金（Ａ文−１，０〜１
．５％Ｍｎ合金）を芯材として、その両面にＡ文−３ｉ
合金ろう材（Ａ４−５〜１２％Ｓｉ合金）、Ａｌ−３，
ｉ　−Ｍ　ｇ合金ろう材（Ａｕ−５〜１２％５ｉ〜０．
５〜２％Ｍｇ合金）等をクラッドした厚さ０．１〜０．
２ｍｍのツレ−シンクシート又は厚さ０．１〜０．２ｍ
ｍの前記３００３．３２０３合金からなるベア材か使用
されている。

一方、熱交換器の中でも特に自動車用熱交換器は近年重
量軽減、小型化の方向にあり、フィンの薄肉化と共に熱
交換器の性能向上、すなわち熱交換率（冷房能力）の向
上が求められてきている。

したかって、薄肉化しても耐高温座屈性が低下せず、か
つ熱伝導性の優れたフィン材の開発が望まれている。

ところでろう付加熱時の座屈はフィン材の薄肉化にとも
なって発生してきた問題であり、合わせ材フィンの座屈
については従来多くの検討がなされてきた。その結果ろ
う付加熱時にろう付成分か芯材中へ拡散することか座屈
の原因となることが明らかにされ、その対策としてろう
材が溶融しはしめる前に再結晶が完了し、粗大な再結晶
粒が得られるような芯材を使用することか行われている
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらＪＩＳ３００３合金、３２０３合金のよう
なＡ　ｌ−Ｍ　ｎ系合金からなるフィン材は、耐座屈性
は比較的優れるものの薄肉化した場合耐座屈性は十分で
なく、また熱伝導性は必ずしも高いとは言えず、したが
ってこのフィン材を用いた場合熱交換器の放熱性を悪く
する原因となっていた。

また、熱伝導性を向上させるために純アルミニウムに近
い組成の合金フィン材も近年提案されているが、そのよ
うな合金の場合フィン材の高温強度が低く、耐座屈性（
耐垂下性）に劣り、ろう付加熱時にフィンの変形を生じ
易く、薄肉化が困難てあった。

したかって、本発明の目的は薄肉化してもろう付加熱に
おいて優れた耐座屈性（耐垂下性）を有し、かつ高い熱
伝導性を有し熱交換器の熱効率を高めることのできるア
ルミニウムフィン材を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは上記問題点を解決するため高温での座屈の
メカニズムを中心に種々検討を行った結果、フィン材の
ろう付加熱において以下に示す現象が生じていることを
見出した。

（１）フィン材のコルゲート成形時に生じる不均一な歪
の分布がろう付加熱時の再結晶挙動に影響し不均一な再
結晶状態となり耐座屈性が損われる。（比較的厚いフィ
ン材では再結晶挙動の多少の変化は耐座屈性を損わない
。） （２）フィンの座屈は再結晶の開始される２５０°Ｃ付
近の温度から生じはじめ、再結晶の終了する温度まで統
〈。

（３）さらに、フィン材を約５６０°Ｃ以上の温度に加
熱した場合、再結晶が完了していても（ろう材成分の拡
散がなくても）座屈か生じる。これは一種の高温クリー
プ現象に対応している。

そこで、本発明者らはさらに鋭意研究を重ねた結果、Ａ
　ｌ　−Ｍ　ｎ系合金の組成を限定し、かつろう付時の
温度で第２相粒子の数を所定数以上有するように材料を
作ることにより耐座屈性を高めることかでき、このよう
な芯材に、純度９９％以上のアルミニウムまたはＺｒ０
．０３〜０．３５％含有したアルミニウム合金を皮材と
してクラッドしたアルミニウム複合フィン材か上記目的
（耐座屈性と高熱伝導性を有すること）に合致すること
を見い出し、この知見に基づき本発明を完成するに至っ
た。

すなわち本発明は、 １、Ｍｎ　　０．６〜２．０　　％、　Ｆ　ｅ　　０．
０５〜０．８　　％、Ｓｉ０．６％以下を含有するＡ　
Ｉ　−Ｍ　ｎ系合金であって、６１０°Ｃで１０分間加
熱した場合に組織内に第２相粒子を１ｍｍ３当り３０Ｘ
１０”個以上宥するアルミニウム合金を芯材とし、該芯
材の片面又は両面に、純度９９％以上のアルミニウム皮
材をクラッドしてなることを特徴とする熱交換器用アル
ミニウム複合フィン材、及び２、　Ｍｎ　　０．６〜２
．０％、Ｆ　ｅ　０．０５〜０．８％、Ｓｉ０．５％以
下を含有するＡ　！；Ｌ−Ｍ　ｎ系合金てあって、６１
０℃で１０分間加熱した場合に組織内に第２相粒子を１
ｍｍ”当り３０Ｘ１０９個以上有するアルミニウム合金
を芯材とし、該芯材の片面又は両面に、Ｚｒ０．０：ｌ
〜０．３５％を含有するアルミニウム合金皮材をクラッ
ドしてなることを特徴とする熱交換器用アルミニウム複
合フィン材である。

いいかえると本発明は耐座屈性の優れた合金を芯材とし
て用い、これに熱伝導性の優れた皮材をクラッドしてな
るアルミニウム複合フィン材である。

本発明のフィン材に用いられる芯材において含有成分及
びその含有量を限定した理由は次の通りである。

本発明のフィン材の芯材においてＭｎ含有量は０．６〜
２．０％とする。Ｍｎは合金の強度を向上させる。さら
にＡ立−Ｆｅ−Ｍｎ、Ａ文−Ｍｎ−３ｉあるいはＡｌ−
Ｆｅ−Ｍｎ−３ｉ系の晶出又は析出相を生じ、これらを
適正にコントロールした場合に、耐座屈性を向上させる
働きをもつ。

Ｍｎの添加量が０．６％未満では、その効果が小さく、
２．０％を越えて添加した場合は、巨大晶出物か生しや
すく、フィンの成形性を損なう。

Ｆｅの添加量は０．０５〜０．８％とする。

ＦｅはＡ　ｌ−Ｆ　ｅ　−Ｍ　ｎあるいはＡ　ｌ　−Ｆ
　ｅ　−Ｍ　ｎ　−Ｓ　ｉ系の晶出又は析出相を生し、
これらを適正にコントロールした場合、耐座屈性の向上
効果を有する。さらにＦｅ自体高温強度を高め、耐座屈
性な向上させる働きを持っている。Ｆｅ添加量が０．０
５％未満ては上記の効果かなく、０．８％を越えると晶
出又は析出相の量が増え、成形性が低下しコルゲート加
工か困難となる。

Ｓｉの添加量は０．６％以下とする。ＳｉはＡｎ−Ｆｅ
−Ｍｎ−３ｉ系の析出相の析出を促進させる働きを有す
る。０．６％を越えると合金の融点か低下し、高温強度
か低下する。

本発明のフィン材の芯材において、上記以外の元素は、
例えば鋳塊組織微細化のために、０．０５％以下のＴｉ
やＢを添加することがてきる。また、フィン材の犠牲陽
極効果を高めるために必要に応じてＩｎ　（０，０５〜
０．２％）、Ｓｎ　（０，０１〜０．１％）　、　Ｚｎ
　（０，３〜２％）の１種又は２種以上を選択して添加
する場合もある。さらに強度を高めるために必要に応じ
て、Ｃｕ　（０，２％以下）、Ｚｒ　（０，２％以下）
、Ｃｒ　（０，３％以下）、Ｎ１（０，６％以下）等を
添加してもよい。このような元素の添加は次に述べる第
２相粒子の分布状態の範囲をはずれないかぎり本発明の
フィン材の特性に影響しない。

次に本発明のフィン材の芯材は６１０℃て１０分間加熱
した場合に組織内に１ｍｍ３当り３０Ｘ１０９個以上の
第２相粒子を含有するようにした材料である。第２相粒
子とは、アルミニウム合金中に存在する金属間化合物粒
子を指し、圧延によって分断された晶出相や均質化処理
や焼鈍を行う際に析出する析出相粒子である。その粒径
はす’（て０．００１〜３ルの範囲であり、さらに詳し
くは大部分、晶出相は０．５〜３ルであり、析出相はｏ
、ｏｏｉ〜０．５Ｊしてある。これらの第２相粒子は座
屈挙動に大きな影響を与え、その量か６１０℃ＸＩＯ分
間の加熱で１ｍｍ’当り３０Ｘ１０９個以」二の場合、
フィン材の座屈挙動に対する加工度の感受性を鈍くする
。すなわち、コルゲート成形により、歪量か不均一とな
ってもその影響を受けなくなり、それか原因で座屈を生
じなくなる。

また、第２相粒子は再結晶の進行にともなって生じる座
屈を減少させる作用かあるが、１ｍｍ３当り３０Ｘ１０
９個未満の場合ではその効果は十分でない。

さらに本発明のフィン材の芯材は、ろう付加熱時に５６
０°Ｃ付近で比較的大きな再結晶粒を示す。これは析出
相による再結晶の妨害効果によるものであり、これによ
り副次的に５６０℃付近の温度から生じる座屈（高温ク
リープ特性と対応しており、粒径か小さいほど変形しゃ
すい）、およびチューブ材からのろうの拡散にょる座屈
を生じさせない。

芯材の第２相粒子の分布の測定は透過型電子顕微鏡を用
いて行う。すなわち、測定する試料の膜厚を等逗子渉縞
を用いて求め、各視野中の面積とその中の第２相粒子の
数を測定して決定する。粒子数の測定は、フィン材の製
造後測定してもよいがフィン材が製造されたままの加工
材では転位が多く、第２相粒子の判別が難しいため、フ
ィン材をろう付加熱条件で加熱（例えば、６１０℃で１
０分間加熱）した後常温まで冷却して、常温で測定する
のがよい。本発明のフィン材の場合ろう付加熱は６００
°Ｃ付近の高温で行うため、加熱前に存在する第２相粒
子はろう付加熱て再固溶、粗犬死が進行し粒子数が減少
することはあるが増加することはないため、一定の条件
である６１０℃で１０分間加熱後に３０Ｘ１０”個／　
ｍ　ｒｎ’以上の第２相粒子が存在するフィン材は、必
ず加熱前にもそれ以上の数の第２相粒子が存在している
。

このように芯材の第２相粒子の分布状態とするとさらに
、ろう付加熱橋のフィンの強度も若干向上する。これは
粒子が数多く分散しており、分散強化による効果である
が、この効果がフィンの薄肉化による熱交換器自体の強
度低下も防いでいる。

第１の発明の皮材として用いられるアルミニウムは、Ａ
ｎ純度９９％以上とする。具体的にはＪＩＳＩ１００合
金、１０５０合金等を用いることができる。Ａ文純度の
高いほど熱伝導性が高まる。Ａｎ純度９９％未満では熱
伝導性か十分に向上しない。

第２の発明の皮材として用いられるアルミニウム合金は
、Ａ　ｌ　−Ｚ　ｒ系合金である。この場合Ｚｒ含有量
は０．０３〜０．３５％とする。Ｚｒは合金の熱伝導性
を損なうことなく、耐高温座屈性を大幅に向上させる。

Ｚｒ含有量が０．０３％未満ではその作用が十分でなく
、０６３５％を越えるとＡＪｌｊ−Ｚｒ系の粗大な晶出
物を生じ、フィン材としての成形性が悪くなる。本発明
において皮材として用いられる合金はＺｒのほかに、例
えば鋳塊組織の微細化のために０．０５％以下のＴｉや
Ｂを、犠牲陽極効果を持たせるために０．１％以下のＳ
ｎやＩｎ、０．６％以下のＺｎ、０．５％以下のＣａを
、耐座屈性（耐垂下性）を向上させるために０．７％以
下のＦｅ、０．３％以下のＣｕ、０．５％以下のＳｉや
Ｍｎをそれぞれ添加してよい。しかし、これらの元素は
フィン材の熱伝導性を低下させるのて、その量は少ない
ほど望ましい。

本発明のアルミニウム複合フィン材は、上記の組成及び
第２相粒子を有する芯材と上記組成の皮材をクラッドし
てなるが、この場合のクラッドは両面クラッド、片面ク
ラッドのいずれでもよい。

またクラツド率（両面クラッドの場合は両面クラッド率
の合計）は１０〜６０％か好ましい。本発明のアルミニ
ウム複合フィン材は耐座屈性に優れる芯材にフィン全体
の熱伝導性のよい皮材をクラッドすることにより熱伝導
性を高めているのてあり、クラッド率が低すぎると熱伝
導性が十分に向上せず、高すぎると芯材の割合か減少し
、耐座屈性か不足する。なお、本発明のフィン材の調質
は、硬質の状態（０材ではなくＨ材）て使用され、詳し
くは、いわゆる最終冷間圧延による硬質板（ＨＩＸ）又
は最終冷間圧延後部分焼鈍した硬質板（Ｈ２Ｘ）の状態
で使用される。

（実施例） 次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。

第１表に示す組成を有するアルミニウム合金の芯材及び
皮材を同表に示すクラッド率て第１図に示すような両面
クラッドのフィン材を作製した。

第１図において符号ｌは芯材、２は皮材である。

フィン材の作製は芯材インゴットに、皮材プレートを溶
接て仮止め後、均質化処理、熱間圧延し、その後冷間圧
延と焼鈍の組合せの工程で行った。

これらの工程のうち熱間圧延はいずれも３００〜３５０
℃で行い、熱延の終了板厚は３．５＋ｗｍであった。ま
た均質化処理は４００〜６００°Ｃで１〜４８時間、焼
鈍は３２０〜６００’Ｃで１〜４８時間の範囲で実施し
、フィン材のろう付加熱時の第２相粒子の分布状態をコ
ントロールした。これらの工程によって最終板厚０．１
０ｍｍの薄肉フィン材試料を得た。それぞれのフィン材
試料の芯材中の第２相粒子の分布を第１表に示す。ここ
で第２相粒子の分布はフィン材を６１０’ｃｘｌＯ分間
加熱後、常温まで冷却し、透過型電子顕微鏡を用いて求
めた。

このようにして得られたフィン材試料をコルゲートフィ
ンとし、これを゛用い第２図に示すドロンカップエバポ
レータを試作した。第２図において符号３はプレスプレ
ートであり、４はコルゲートフィンである。プレスプレ
ート３は芯材３００３合金、ろう材４００４合金（クラ
ツド率両面１５％）からなる板厚０．６Ｈのプレージン
プレートを用いた。フィン４の幅は１００＋ｓ■とじ、
ろう付は真空ろう打法を用いた。得られたフィン材につ
いては耐垂下性、エバポレータについては冷房能力、フ
ィンの耐座屈性を測定した。

試験方法及び判定方法は次の通りである。結果は第２表
に示す。

■冷房能力試験 ＪＩＳ　　Ｄ　　１６１８（自動車用冷房機試験方法）
に準じて行った。

■垂下性試験 幅２２ｍｍ、長さ６０ｍｍのフィン材の試料片を切り出
し、一端を５０ｍｍ突出させ他端を固定した片持ち状態
で６１０’Ｃで１０分間の加熱を行った後、突出前端の
垂下量（ｍｍ）を測定した。垂下量の少ない方か耐垂下
性（耐座屈性）が優れる。

■耐座屈性試験 第２図のドロンカップエバポレータ作製においてろう付
時にフィンの座屈によるフィンとプレスプレートのろう
行不良がないことを前提とし、さらにプレスプレートの
間隔（ろう付前１０ｍｍ）をろう付前後で比較し、減少
量０．３ｍｍ以下を耐座屈性良とし、０．３１■を越え
るものを不良とした。

第２表 注）本試料ＮＯ６７及びＮ０１８はエバポレーター組立
て不能であった。

第２表の結果から明らかなように、本発明のアルミニウ
ム合金フィン材（Ｎｏ、１〜５）は優れた耐垂下性とと
もにエバポレータ用コルゲートフィンとして良好な耐座
屈性を有し、かつエバポレータの冷房能力を従来のエバ
ポレータ（Ｎｏ、９）よりも向上させる高熱伝導性を有
している。これに対し比較例（Ｎｏ、６〜８）は耐垂下
性が劣りエバポレータに組立てることがてきないか、ま
たは耐座屈性が劣る。

（発明の効果） 本発明によれば耐垂下性、高温座屈性か優れ、しかも高
熱伝導性を有するアルミニウム合金フィン材が得られる
。したがって、本発明のアルミニウム合金フィン材によ
り薄肉化が可能となり、また放熱特性にも優れるため、
小型、軽量化した熱交換器の製造か可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はフィン用プレージングシートの１例て、その断
面図、第２図はドロンカップエバポレータの側面図であ
り、第３図（イ）はエバポレータの斜視図、同図（ロ）
はコンデンサーの斜視図、同図（ハ）はラジェータの側
面図（一部破断図）である。 符号の説明 ■・・・芯材、２・・・皮材、３・・・プレスプレート
、４・・・コルゲートフィン、 １３．２３．３３・・・チューブ、 １４．２４．３４−・・コルゲートフィン特許出願人　
古河アルミニウム工業株式会社第　　１　　図 第 （イ） 第　　２　　図 ３図 逼−一１２４ 】盆趣沙Ｐ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 　（１）Ｍｎ０．６〜２．０％、Ｆｅ０．０５〜０．８
   ％、Ｓｉ０．６％以下（以上ｗｔ％）を含有するＡｌ−
   Ｍｎ系合金であって、６１０℃で１０分間加熱した場合
   に組織内に第２相粒子を１ｍｍ＾３当り３０×１０＾９
   個以上有するアルミニウム合金を芯材とし、該芯材の片
   面又は両面に、純度９９ｗｔ％以上のアルミニウム皮材
   をクラッドしてなることを特徴とする熱交換器用アルミ
   ニウム複合フィン材。
2. 　（２）Ｍｎ０．６〜２．０％、Ｆｅ０．０５〜０．８
   ％、Ｓｉ０．６％以下（以上ｗｔ％）を含有するＡｌ−
   Ｍｎ系合金であって、６１０℃で１０分間加熱した場合
   に組織内に第２相粒子を１ｍｍ＾３当り３０×１０＾９
   個以上有するアルミニウム合金を芯材とし、該芯材の片
   面又は両面に、Ｚｒ０．０３〜０．３５ｗｔ％を含有す
   るアルミニウム合金皮材をクラッドしてなることを特徴
   とする熱交換器用アルミニウム複合フィン材。